飛針測(cè)試機(jī)側(cè)向驅(qū)動(dòng)零件的有限元分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化

王野平 董遠(yuǎn)川 黃 韜

（1.同濟(jì)大學(xué) 機(jī)械與能源工程學(xué)院，上海 201804；2.南京泊納萊電子科技有限公司，江蘇 南京 211102）

0 引言

為確保中國(guó)芯片產(chǎn)業(yè)安全自主可控，必須具備自主研發(fā)和制造高算力芯片的能力［1-2］。集成電路是芯片產(chǎn)業(yè)的一個(gè)重要分支，印制電路板是集成電路的載體，被譽(yù)為“電子元器件之母”。如何保證印制電路板（printed circuit board，PCB）的電性能質(zhì)量，涉及準(zhǔn)確高效的電性能測(cè)試，這對(duì)于提升集成電路整體性能至關(guān)重要。

PCB 電性能測(cè)試分為測(cè)試架測(cè)試（又稱針床測(cè)試）和飛針測(cè)試。其中，飛針測(cè)試機(jī)可針對(duì)不同PCB 板展開(kāi)，與針床測(cè)試相比，具有更強(qiáng)的復(fù)用性和通用性。飛針測(cè)試機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)難點(diǎn)包括探針裝夾部分、側(cè)向驅(qū)動(dòng)部分等。本文通過(guò)有限元靜力學(xué)分析和熱分析，對(duì)側(cè)向驅(qū)動(dòng)部分關(guān)鍵零件Y軸連接板進(jìn)行結(jié)構(gòu)和材料優(yōu)化，以期提高飛針測(cè)試機(jī)的電測(cè)精度。

1 飛針測(cè)試機(jī)側(cè)向驅(qū)動(dòng)部分的連接和運(yùn)動(dòng)

1.1 側(cè)向驅(qū)動(dòng)部分的連接

飛針測(cè)試機(jī)側(cè)向驅(qū)動(dòng)部分結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性是保證電測(cè)精度的關(guān)鍵之一。將4 個(gè)飛針組裝單元分別連接到各自對(duì)應(yīng)的直線模組上，沿Y軸上下對(duì)稱安裝連接板，固定直線模組，通過(guò)拖鏈固定2 個(gè)Y軸連接板。Y軸連接板中下部固連絲桿連接塊，連接塊嵌套在絲桿上；連接板下部固連直線滑塊，滑塊安裝在導(dǎo)軌上，連接板和滑塊之間裝有導(dǎo)軌墊片［3］。

1.2 側(cè)向驅(qū)動(dòng)部分的運(yùn)動(dòng)

飛針組裝單元沿絲桿和導(dǎo)軌實(shí)現(xiàn)X方向運(yùn)動(dòng)；沿直線模組實(shí)現(xiàn)Y方向運(yùn)動(dòng)；通過(guò)步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)同步帶，實(shí)現(xiàn)Z方向的出針和收針運(yùn)動(dòng)。直線模組、絲桿連接塊和直線滑塊都直接固定在Y軸連接板上，所以Y軸連接板結(jié)構(gòu)性能的好壞直接影響飛針組裝單元沿X方向和Y方向的運(yùn)動(dòng)精度，進(jìn)而影響探針在Z方向的出針和收針運(yùn)動(dòng)，以及飛針測(cè)試機(jī)電測(cè)精度［4］。飛針測(cè)試機(jī)側(cè)向驅(qū)動(dòng)部分模型如圖1所示。

圖1 飛針測(cè)試機(jī)側(cè)向驅(qū)動(dòng)部分模型

2 側(cè)向驅(qū)動(dòng)部分靜力學(xué)分析

2.1 側(cè)向驅(qū)動(dòng)部分有限元模型

Y軸連接板是飛針測(cè)試機(jī)側(cè)向驅(qū)動(dòng)部分的關(guān)鍵零件，在精度允許范圍內(nèi)，可以只取出Y軸連接板，將連接在其上的零件轉(zhuǎn)化為邊界條件，以建立有限元模型：將與絲桿連接塊連接的4 個(gè)螺紋孔，以及與直線滑塊連接的8 個(gè)螺紋孔設(shè)置為固定支持。與直線模組連接的6 個(gè)螺紋孔和與拖鏈固定板連接的2 個(gè)螺紋孔是連接板所受外力來(lái)源。Y軸連接板在絲桿上快速移動(dòng)過(guò)程中，隨著運(yùn)動(dòng)的開(kāi)始和停止，連接板受到沿X方向水平向左或水平向右的作用力，經(jīng)測(cè)試可得該水平外力F=200 N。

2.2 Y軸連接板靜力學(xué)分析

Y軸連接板選用7075 鋁合金，該材料密度小，但彈性模量偏小，線性熱膨脹系數(shù)偏大，制成的Y軸連接板剛度小，熱變形量大?，F(xiàn)考慮將7075鋁合金換為P20 鋼，該材料的剛性和熱穩(wěn)定性均優(yōu)于7075 鋁合金，但是密度較大。公司原始零件的體積為507.85 cm3，鋼件比鋁件重2 500 g。本文采用ANSYS Workbench 靜力學(xué)分析，通過(guò)去除鋼制連接板受力較小部位、減小厚度等措施減輕材料質(zhì)量，保證在相同外力作用下，考慮到電測(cè)精度，X方向最大變形量比原鋁件大5%，考慮到驅(qū)動(dòng)電機(jī)最大功率，最多比原鋁件重1 000 g。

因?yàn)榭箯澖孛嫦禂?shù)W僅與連接板的截面形狀和尺寸有關(guān)，所以鋁板和鋼板的最大正應(yīng)力均出現(xiàn)在彎矩最大處且近似相等，可以只考慮變形量，忽略應(yīng)力的影響［5］。鋁制連接板沿X方向最大變形量x鋁=0.040 mm，鋼制連接板沿X方向最大變形量x鋼=0.020 mm，明顯少于鋁件。鋼制連接板應(yīng)力分布如圖2所示，由圖可知，其應(yīng)力主要集中在左右兩側(cè)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，挖孔位置對(duì)變形量的影響可以忽略不計(jì)［6-7］，所以應(yīng)盡量去除受力較小的部位，以減輕鋼板質(zhì)量，如圖3所示，此時(shí)x鋼=0.029 mm，質(zhì)量m鋼=3 246.81 g。

圖2 鋼制Y軸連接板應(yīng)力分布

2.3 鋼制Y軸連接板改進(jìn)設(shè)計(jì)方案

選擇上述初方案零件為樣本，原始厚度為12.0 mm，選擇厚度范圍為6.0 mm≤H≤12.0 mm，每隔0.5 mm 進(jìn)行一次取樣仿真，x-H關(guān)系如圖4所示，m-H關(guān)系如圖5所示。基于設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)x鋼≤x鋁×105%=0.042 mm，m鋼≤m鋁+1 000.00 g=2 427.07 g，確定零件厚度為9.0 mm，此時(shí)x鋼=0.038 mm＜0.042 mm，m鋼=2 441.55 g＞2 427.07 g，鋼板質(zhì)量不在上述范圍內(nèi)。下方2 個(gè)圓孔位置距離較近，為了便于后期，將其合并為一個(gè)腰型孔，改進(jìn)后的Y軸連接板如圖6所示，此時(shí)x鋼=0.041 mm＜0.042 mm，m鋼=2 368.32 g＜2 427.07 g，滿足設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

圖4 x-H關(guān)系

圖5 m-H關(guān)系

圖6 鋼制Y軸連接板改進(jìn)設(shè)計(jì)方案

3 Y軸連接板熱分析

鋁板和鋼板的穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)分布如圖7所示，鋁板的表面最高溫度為70.444 ℃，鋼板為70.147 ℃，鋼板最高溫度略低于鋁板，高溫所占零件表面積明顯小于鋁板。鋁板熱變形最大值Δy鋁=0.509 18 mm，為保證飛針測(cè)試機(jī)電測(cè)精度，連接板沿Y軸的線性熱膨脹變化量Δy不能超過(guò)自身長(zhǎng)度的1‰，即Δy≤y0×1‰=0.485 mm，鋁板不滿足熱穩(wěn)定性要求；鋼板熱變形最大值Δy鋼=0.250 52 mm＜0.485 mm。綜上所述，鋼板的熱穩(wěn)定性明顯優(yōu)于鋁板［8-10］。

圖7 鋁制、鋼制Y軸連接板穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)

4 結(jié)語(yǔ)

本文首先分析了飛針測(cè)試機(jī)側(cè)向驅(qū)動(dòng)部分的連接和運(yùn)動(dòng)，為建立其有限元模型提供支撐。Y軸連接板是側(cè)向驅(qū)動(dòng)部分的關(guān)鍵零件，采用靜力學(xué)仿真確定合適的零件材料，通過(guò)減材、減厚等措施減輕鋼制Y軸連接板質(zhì)量，同時(shí)確保其滿足沿X方向的最大變形量在合理范圍內(nèi)。最后通過(guò)熱分析證明鋼制連接板的熱穩(wěn)定性優(yōu)于鋁制連接板。以期為Y軸連接板結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供理論依據(jù)。